Ugljična vlakna prvenstveno se koriste zbog svoje male težine, a cijenjena su zbog svoje čvrstoće i krutosti. No, kada Leif Asp pogleda materijal, vidi priliku da ga naloži dvostrukoj dužnosti na način koji bi mogao drastično poboljšati učinkovitost automobila i aviona.
"Akumulator je strukturalni parazit", kaže inženjer i profesor na Sveučilištu Chalmers Technology u Švedskoj, što znači da dodaje težinu i smanjuje učinkovitost, ne doprinoseći fizičkoj snazi i strukturi automobila kojim se napaja. Ali što ako su vozila izrađena od akumulatora?
Eto gdje Asp stvarno ide s ovom tehnologijom. Želi vidjeti automobile, zrakoplove, brodove, čak pametne satove i drugu potrošačku elektroniku napravljenu od materijala koji djeluje i kao tijelo i kao energija - nešto što se naziva i "strukturalna baterija". Automobil koji sadrži strukturne baterije mogao bi težiti i do 50 posto manje od tipičnog EV-a koji ima ispod sebe teške litij-ionske baterije, kaže Asp.
Nije vijest da ugljična vlakna imaju elektrokemijska svojstva. Poput grafita, materijal je, u određenim konfiguracijama, sposoban voditi. Istraživači sa tehnološkog sveučilišta Chalmers prijavili su američki patent na bateriju izrađenu od ugljičnih vlakana, ali zapravo je iznošenje jednog proizvoda na tržište pokazalo poteškoćom za mali broj ljudi koji proučavaju tu ideju. Novo istraživanje Aspovog tima identificiralo je određeni aspekt materijala koji njegovo potencijalno korištenje kao strukturalnih baterija čini mnogo realnijim.
Leif Asp s vitlom pređe od ugljičnih vlakana (Johan Bodell, Tehnološko sveučilište Chalmers) No, sav ugljik nije stvoren jednak, a različite vrste ugljika imaju različita svojstva zbog kojih su primjenjivi na različite namjene. Aspov je cilj razumjeti što se ponaša kako i zašto i primijeniti to na strukturne aplikacije.
"Ugljična vlakna koja su dostupna na tržištu, izrađena su za strukturne primjene ili su namijenjena za električne primjene", kaže on. Strukturne primjene su ono što smo najpoznatiji, od ugljika koji čini bicikle i drugih jakih, laganih proizvoda, ali električne su dijelove ponekad izrađene od materijala, iako drugačijeg tipa. Vjeruje da postoji ugljik koji može i jedno i drugo.
U posljednjem istraživanju Asp i njegovi suradnici usporedili su tri kompozita i pregledali ih elektronskom mikroskopijom i laserskom spektroskopijom. Ugradili su vlakna u baterije, pogledali veličinu i orijentaciju kristala ugljikovih atoma spojenih u njima, te usporedili krutost, čvrstoću i elektrokemijska svojstva različitih materijala. Manji kristali, s više dezorijentiranom strukturom, imaju tendenciju da budu elektrokemijski reaktivniji - to jest, sposobniji su zauzimati, skladištiti i oslobađati elektrone i tako djeluju kao baterije. Međutim, ove su vrste ugljika manje krute od onih s kristalima koji su duži i slojevitiji. (Bilo kako bilo, oni su vrlo mali; Asp je usporedio vlakna s kristalima od 18 do 28 angstroma s kristalima od 100 do 300 angstroma, a angstrom je deset milijardi milijardi metra.)
Vizija istraživača je vozilima gdje se velik dio trupa automobila ili trupa aviona sastoji od strukturnih litijum-jonskih baterija. (Yen Strandqvist, Tehnološko sveučilište Chalmers) Korištenje ugljičnih vlakana koje žrtvuju određenu krutost za postizanje bolje vodljivosti možda neće predstavljati problem, jer je materijal i dalje krut od čelika i sposoban je nositi strukturno opterećenje. Također neće puniti naboj jednako učinkovito kao i tradicionalne baterije, ali tada, ako se većina automobila sastoji od stvari, to neće morati jer će se ukupna učinkovitost i dalje uvelike povećati. Industrijski partneri poput Airbusa, koji s Aspom surađuje od 2015., to smatraju "masovnijim skladištenjem energije".
Ipak, tehnologija je to daleko od toga da bude praktična - potencijalno desetljećima, kaže Adrian Mouritz, izvršni dekan Tehničke škole na Sveučilištu RMIT u Melbourneu. Mouritz također radi na strukturalnom skladištenju energije koristeći ugljična vlakna, ali njegov rad ugrađuje litij-ionske baterije u sendviče od ugljika, pomažući nositi dio strukturnog opterećenja i smanjujući mrtvu težinu baterija, iako ne tako opsežno kao Aspova verzija.
"Pristup koji koristimo, kompozitni materijal je već dokazan, sama baterija je već dokazana. Sve što pokušavamo dokazati je integracija baterije u kompozit, što je mnogo manji korak koji treba poduzeti “, kaže Mouritz. "Leif je ... tehnički složeniji, ali dugoročno će njegove koristi biti veće. To još uvijek zahtijeva puno više istraživanja i razvoja kako bi se optimizirali materijali i dizajn stvarnog sustava. "
Asp i njegov laboratorij rade na tome da to već učini održivim. Rana istraživanja (2014. i prethodna) modificirala su ugljična vlakna, uvodeći omotač laminiranih polimernih elektrolita koji pomažu vlaknima da pohranjuju i oslobađaju ione na učinkovitiji način, na isti način na koji litij-ionska baterija koristi interventni elektrolit.
"Da bismo ovo letjeli, naravno, bilo bi odavno", kaže Asp. S Airbusom radi na izradi demo emisije za sljedeću godinu, koja unutarnja svjetla i kablove zamjenjuju strukturnim ugljičnim vlaknima. Iako bi veća ušteda na težini mogla biti u uklanjanju potrebe za gorivom, za što Mouritz kaže da čini jednu trećinu ili više operativnog proračuna zrakoplovne tvrtke, Airbusov će demonstracija biti ilustracija da je tehnologija održiva.
Mouritz vidi kako se tehnologija primjenjuje na luksuzne automobile i trkačke automobile Formule 1 te široko prihvaćanje na potrošačkom tržištu nakon što cijena padne i pouzdanost se potvrdi. "Ako možete lagano koristiti svoj zrakoplov, ako možete lagano koristiti svoj automobil, stvarna ušteda ovog troška je u stotinama milijuna, ako ne i u milijardama dolara", kaže on.
"Druga stvar, naravno", dodaje Mourtiz, "jest da ako smanjim sagorijevanje goriva, zapravo smanjujem emisiju stakleničkih plinova."
